La microscopía de fuerza electrostática ( EFM ) es un tipo de microscopía de fuerza atómica dinámica sin contacto donde se prueba la fuerza electrostática. ("Dinámico" aquí significa que el voladizo oscila y no hace contacto con la muestra). Esta fuerza surge debido a la atracción o repulsión de cargas separadas . Es una fuerza de largo alcance y puede detectarse a 100 nm o más de la muestra.
Por ejemplo, considere una punta en voladizo conductor y una muestra que están separadas una distancia z generalmente por un vacío. Una batería externa aplica un voltaje de polarización entre la punta y la muestra formando un capacitor, C , entre las dos. La capacitancia del sistema depende de la geometría de la punta y la muestra. La energía total almacenada en ese capacitor es U = 1/2 C⋅ΔV 2 . El trabajo realizado por la batería para mantener un voltaje constante, ΔV , entre las placas del capacitor (punta y muestra) es -2U . Por definición, tomando el gradiente negativo de la energía total U total = -U se obtiene la fuerza. La componente z de la fuerza (la fuerza a lo largo del eje que conecta la punta y la muestra) es así:
Dado que ∂C ⁄ ∂z < 0, esta fuerza siempre es atractiva. La fuerza electrostática se puede probar cambiando el voltaje, y esa fuerza es parabólica con respecto al voltaje. Una nota a tener en cuenta es que ΔV no es simplemente la diferencia de voltaje entre la punta y la muestra. Dado que la punta y la muestra a menudo no son del mismo material y, además, pueden estar sujetas a cargas atrapadas, residuos, etc., existe una diferencia entre las funciones de trabajo de las dos. Esta diferencia, cuando se expresa en términos de voltaje, se llama diferencia de potencial de contacto, V CPD. Esto hace que el vértice de la parábola descanse en ΔV = V punta − V muestra − V CPD = 0 . Normalmente, el valor de V CPD es del orden de unos pocos cientos de milivoltios . Con este método se pueden detectar de forma rutinaria fuerzas tan pequeñas como piconewtons .
Una forma común de microscopía de fuerza eléctrica implica un modo de operación AFM sin contacto . En este modo, el voladizo oscila a una frecuencia resonante del voladizo y la punta del AFM se mantiene de manera que solo detecte fuerzas electrostáticas de largo alcance sin entrar en el régimen de contacto repulsivo. En este régimen sin contacto, el gradiente de fuerza eléctrica provoca un cambio en la frecuencia de resonancia del voladizo. Las imágenes EFM se pueden crear midiendo la oscilación del voladizo, el cambio de fase y/o frecuencia del voladizo en respuesta al gradiente de fuerza electrostática.
Con un microscopio de fuerza electrostática, como el microscopio de fuerza atómica en el que se basa, la muestra puede sumergirse únicamente en líquido no conductor, porque los líquidos conductores dificultan el establecimiento de una diferencia de potencial eléctrico que causa la fuerza electrostática detectada.
